CFG桩在城市道路软基处理中的设计及应用

郑 平，王洪强

（华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014）

0 前言

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和形成的高粘结强度桩。CFG桩与素混凝土桩的区别仅仅在于桩体材料的构成不同，而在受力和变形特性方面没有什么区别。它在桩体材料配比上比素混凝土桩更追求经济效益，在有条件的地方应尽量利用工业废料作为掺和料。

本文结合福建省莆田市某城市道路K0+580工点软基处理，就CFG桩的设计过程作以简要说明。

1 CFG桩复合地基工作原理及适用性

CFG桩复合地基由桩、桩间土及褥垫层三部分构成。桩与基础通过褥垫层(如砂、碎石等)和基础相联系。褥垫层技术是CFG桩复合地基的一个核心技术，褥垫层将上部基础传来的基底压力通过适当的变形以一定的比例分配给桩及桩间土，使二者共同受力。同时土体受到桩的挤密而提高承载力，而桩又由于周围土的侧应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。

CFG桩由于自身的特点及加固机理，主要适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。同时，CFG桩复合地基属于刚性桩复合地基，具有承载力提高幅度大、地基变形小等优点，可适用于多种基础形式，如条形基础、独立基础、箱形基础和筏板基础等。

2 工程概况

莆田某大道为城市主干道，路幅宽度70m，双向八车道外加辅道的断面形式，设计速度80 km/h。由于沿线分布有深厚的淤泥及淤泥质土，软基处理量较大。根据当地软基处理经验、施工工艺水平及本项目的进度安排，采用振动沉管CFG桩处理方案。

该工点桩号K0+580。区域的地貌类型属海积平原，地势高差较小，河道呈U型穿过此段落，该工点河道深约3m。场地内自上而下土层为：（1）淤泥，厚度约 7.6 m；（2）淤泥夹砂，厚约 0.7 m；（3）残积砂质粘性土，厚约8 m。其中淤泥及淤泥夹砂具高压缩性、易触变、低强度等特点，属高压缩性土，工程性能极差。残积砂质粘性土属中压缩性土，工程性能中等，可作为路基持力层。

3 设计步骤

3.1 设计参数的选取

CFG桩复合地基设计主要确定5个设计参数，分别为桩长、桩径、桩间距、桩体强度、褥垫层厚度及材料。针对某一具体工程，桩长、桩径及褥垫层厚度是明确的。设计时，可事先假定设计参数值，若承载力及沉降满足要求，表明假设成立，否则，需调整桩间距、桩体强度或桩长。

（1）桩长l。CFG桩复合地基要求桩端落在好的持力土层上，这是CFG桩复合地基设计的一个重要原则。因此，桩长是CFG桩复合地基设计时首先要确定的参数。设计时根据勘察报告，分析各土层，确定桩端持力土层和桩长。本次设计要求桩端进入残积砂质粘性土不少于0.5m。本工点包含河道回填厚度、淤泥层及淤泥夹砂层深度共11.3m，故桩长取12m。

（2）桩径d。CFG桩的桩径取决于所采用的成桩设备，一般为350～600 mm。根据莆田地区成桩工艺，本次桩径取400mm。

（3）桩间距 s。一般桩间距 s=3 d～5 d，也有振动沉管成桩采用6 d间距。间距大小取决于设计要求的复合地基承载力和变形、土性与施工机具。一般设计要求的承载力大时s取小值，但必须考虑施工时相邻桩之间的影响，就施工而言希望采用大桩距大桩长，因此的大小应综合考虑。本次设计桩间距取4 d，正三角形布置。

（4）桩体强度。原则上，桩体配比按桩体强度控制，桩体试块抗压强度应满足下式要求：

式中：fcu——桩体混合料试块（边长150mm立方体）标准养护28 d立方体抗压强度平均值，kPa；

Ra——单桩竖向承载力特征值，kN；

Ap——桩的截面积，m2。

本次桩体强度按C15混凝土强度等级设计。

（5）褥垫层厚度。褥垫层厚度一般取15～30 cm，材料科用粗砂、中砂、碎石、级配砂石（最大粒径不大于30mm）。本次设计结合工程经验、土性及桩间距，褥垫层厚度取60 cm。

3.2 复合地基承载力计算

3.2.1 单桩承载力特征值计算

当采用单桩载荷试验时，应将单桩极限承载力除以安全系数2；当无单桩载荷试验时，可按下式估算：

式中：μp——为桩的周长（m）；

n——桩长范围内所划分的土层数；

qp、Ap——桩周第层土的侧阻力、桩端端阻力特征值（kPa）；

li——第层土的厚度（m）。

根据地质勘察报告，各土层参数见表1。

表1 各土层设计计算指标及有关参数

结合表1及设计参数，经计算Ra=249（kPa）。

3.2.2 复合地基承载力特征值计算

根据《建筑地基基础设计规范》，CFG桩复合地基承载力特征值应通过现场地基载荷试验确定，初步设计时也可按下式估算：

式中：fspk——复合地基承载力特征值（kPa）；

fsk——处理后桩间土承载力特征值（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值；

m——面积置换率；

Ra——单桩竖向承载力特征值（kN）；

Ap——桩的截面积（m2）；

β——桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取，如无经验时可取0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值。

结合单桩承载力特征值，本工点范围天然地基承载力平均约60 kPa，置换率为0.057，取0.8，可计算得出 fspk=158（kPa）。

桩体强度 fcu=5.95（MPa）

故桩体设计强度等级满足要求。

3.2.3 承复合地基承载力的确定

复合地基承载力取值标准应考虑上部荷载大小，以确保上部荷载作用下地基稳定为原则。考虑到理论计算时取值参数的不精确性及土层性质不确定性，为确保工程质量的安全，并考虑施工过程中的诸多不可预见的对施工质量不利的影响因素，对理论计算结果进行折减，折减系数取0.85，得到桩间距1.6 m的CFG桩复合地基承载力特征值为134.5 kPa。本工点设计填土厚度约3.5m，考虑到本工点为桥头段及路面荷载和安全储备因素，因此设计桩间距1.6m的CFG桩复合地基承载力特征值不小于130 kPa为合格。

3.3 沉降计算

由于中分带宽8 m，考虑到远期交叉口车道拓宽的需要，可压缩中分带作为左转及掉头车道，本次设计进行全断面布桩。

根据《建筑地基基础设计规范》，复合地基沉降采用分层总和法进行计算。

地基土总沉降S由瞬时沉降Sd、主固结沉降Sc和次固结沉降Ss三部分组成，

由于瞬时沉降和次固结沉降的影响因素较复杂，实际计算时用沉降修正系数ms来反映瞬时沉降和次固结沉降的影响，地基土总沉降为主固结沉降Sc与沉降修正系数ms的乘积，即：

其中：Ei为各计算土层的土体压缩模量，加固层采用复合土体模量Eci，下卧层采用天然地基压缩模量Esi。复合土体模量Eci等于天然地基土体压缩模量Esi与模量提高系数ξ的乘积，即Eci=ξ×Esi。模量提高系数ξ为复合地基承载力特征值fspk与天然地基承载力特征值fak之比，即ξ=fspk/fak。ΔPi、ΔHi为各计算土层的平均附加应力和土层厚度。

代入相关参数，经计算，该工点最终填土厚度与复合地基工后沉降量见表2。

表2 CFG桩处理前后地基工后沉降计算值

经过CFG桩处理后，地基承载力得到大幅提高，沉降量大幅减小。

4 CFG桩施工

（1）施工工艺及程序

本项目成桩工艺为振动沉管灌注桩施工工艺。CFG桩施工前应具备“三通一平”的条件，试桩完成后，施工顺序如下：桩位放样→桩靴埋设→桩机就位→沉管至设计深度→管内关注混合料→留振→桩管振拔至地表面→超灌成桩、桩封顶→桩机移位。

（2）施工时采取的措施

由于本工程土质大多为淤泥及淤泥质土，性能较差，为防止缩颈断桩及窜孔现象，施工工程中严格控制拔管速度，采用静压振拔技术，即沉管时不启动马达，将沉管沉至预定标高，填满料后再启动马达振动拔管，沉管过程中做好记录。施工顺序为隔桩跳打，并严格控制CFG桩的施工质量，注意观测打桩时地面是否发生隆起,因为断桩常常和地面隆起相联系。

当CFG桩在凿除浮浆后或由于1.5m以内的浅部断桩造成桩体顶面标高低于设计桩头底面标高时，应采用强度高出桩身一级的混合料进行接桩。接桩部分的桩径应比设计桩径大20 cm，与既有桩体的咬结长度不小于20 cm。

5 结语

（1）CFG桩复合地基不但可以使地基承载力得到大幅度的提高，而且具有沉降变形小、适用范围广、造价低、施工方便等优点，其社会和经济效益非常明显。

（2）结合大量工程实践，往往工后一段时期承载力和沉降并没有得到保证。从安全角度出发，建议计算的复合地基承载力进行折减，折减系数可取0.8左右。

（3）本工程针对淤泥质土厚度较大的特点采用静压振拔技术、适当增大桩间距等的做法是合理的，减少了窜孔及断桩问题。

（4）对于中分带较宽的道路，是否全断面布桩应结合交通组织的需要进行考虑。

[1]闫明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[2]建筑地基基础设计规范[S].北京:人民交通出版社,2002.

[3]建筑地基处理技术规范[S].北京:人民交通出版社,2002.